Beoordeel het, breek het niet - Hardheidstesten en de gieterij

Een cruciale stap in het kwalificeren van metalen onderdelen met behulp van een niet-destructieve benadering

Het testen van de hardheid is een kwaliteitstest die in gieterijen wordt gebruikt om de eigenschappen van gegoten metalen en hun geschiktheid voor verschillende toepassingen te meten. Zijn populariteit is te danken aan het niet-destructieve karakter van de test en de relatie met andere mechanische eigenschappen. Gieterijen leiden de trekspanning van een materiaal af op basis van het resultaat van de hardheidstest.

Eigenschappen van gegoten metalen variëren afhankelijk van de samenstelling van het metaal, procesomstandigheden en warmtebehandeling. Het is belangrijk om gegoten metalen producten te certificeren als geschikt voor de gewenste eindtoepassing. Vier hoofdcategorieën eigenschappen zijn belangrijk voor gebruikers van gegoten metaal:

• Kracht
• Invloed
• Hardheid
• Corrosiebestendigheid

Gieterijen gieten soms een testcoupon naast het productgieten. Kwaliteitstestresultaten van de testcoupon worden verondersteld ook waar te zijn voor het gegoten product. Sommige tests, zoals trekspanning en impact, vernietigen het proefstuk tijdens het proces. Niet-destructieve tests (NDT) vernietigen het metaalmonster echter niet om een ​​resultaat te verkrijgen. Het voordeel van NDT is dat testen kunnen worden uitgevoerd op het gegoten metalen product zelf, in tegenstelling tot een proefstuk.

Voordelen van hardheidstesten:

• Mogelijkheid om de warmtebehandeling van een onderdeel te verifiëren bij warmtebehandelingen en analyse van de diepte van de zaak
• Mogelijkheid om te bepalen of een materiaal de nodige eigenschappen heeft voor het beoogde gebruik
• Niet-destructief testalternatief voor het effectief kwalificeren en vrijgeven van materiaal of componenten voor doeltoepassingen
• Lage kosten en snelle prestaties

Wat is een hardheidstest?

De term, hardheid , impliceert typisch een weerstand tegen vervorming. Voor metalen is de eigenschap een maatstaf voor hun weerstand tegen permanente of plastische vervorming. Er bestaan ​​verschillende tests voor het meten van de hardheid van metalen en gegoten metalen.

Brinell-hardheidstest

De Brinell-hardheidstest maakt gebruik van de ASTM E10-standaardtestmethode voor de Brinell-hardheid van metalen materialen. De American Society for Testing and Measurement (ASTM) is de bewaarder van deze standaard. Het is een macro-indentatietest waarbij een hoge belasting wordt gebruikt om de meting te verkrijgen. Gegoten metalen vereisen macrohardheidstesten vanwege de grove korrelstructuur en het potentieel voor een inhomogeen materiaal.

Om een ​​Brinell-hardheidsgetal (BHN) te verkrijgen, drukt een hardmetalen kogel met een vaste diameter gedurende een bepaalde tijd met een vaste druk in het metaal. Bij het verwijderen van de last meet de operator de diameter van de achtergelaten inkeping en zet deze om in de BHN met behulp van de volgende formule:

\(BHN={2ArmoedeπD(D-sqrt{D^2-d^2 })}\)

P =uitgeoefende kracht (kgf)
D =diameter van indenter (mm)
d =diameter van inkeping (mm)

In de Verenigde Staten worden testbelastingen voor staal en ijzer doorgaans ingesteld op maximaal 3000 kgf met een kogel van 10 mm. Aluminium gebruikt een lagere testbelasting van 500 kgf en soms een kleinere indringer van 5 mm. Een typische BHN varieert van 50-750 voor metalen. De Engineering Toolbox Brinell-hardheidstabel hieronder geeft een aantal voorbeelden van BHN:

Materiaal
Brinell-hardheidsnummer

Zacht messing

60

Zacht staal

130

Gegloeid beitelstaal

235

Wit gietijzer

415

Genitreerd oppervlak

750

Voorbereiding van het metalen oppervlak voor Brinell-hardheidstests is erg belangrijk. Een gekarteld oppervlak of andere onvolkomenheden zullen het resultaat beïnvloeden. Het is raadzaam om het metalen oppervlak te slijpen ter voorbereiding op de test om de variabiliteit in de resultaten te minimaliseren.

De oorsprong van de Brinell-hardheidstest gaat terug tot 1900. In de beginjaren van de test werden de resultaten sterk beïnvloed door het perspectief van de operator. Verschillende operators zouden met verschillende resultaten komen, wat zou leiden tot een hoge variabiliteit in de meting. Met de introductie van elektronische meetapparatuur is de consistentie echter aanzienlijk verbeterd.

Rockwell-hardheidstest

De Rockwell-hardheidstest maakt gebruik van methode ASTM E18—Standard Test Methods for Rockwell Hardness of Metallic Materials. De Rockwell-test bestaat uit twee fasen. De apparatuur oefent een voorlopige testkracht uit op het monster met behulp van een diamant- of kogelindenter. Het doel van deze fase is om door het oppervlak van het metaal te breken en het effect van de oppervlakteafwerking op het eindresultaat te verminderen. De operator meet op dit punt een basisindrukkingsdiepte. Nadat de voorbelasting een bepaalde tijd is vastgehouden, wordt vervolgens een grote belasting toegepast. Nogmaals, de kracht wordt gedurende een vooraf ingestelde tijd vastgehouden, voordat deze weer wordt teruggebracht tot de voorbelasting. Nadat de tijd is verstreken, voert de operator een dieptemeting uit van de inkeping. Het Rockwell-hardheidsgetal is gebaseerd op het verschil tussen de basislijn en de uiteindelijke dieptemeting.

Voor de nauwkeurigheid van de Rockwell-test is het belangrijk dat de testas zich binnen twee graden loodrecht bevindt. Een Rockwell-hardheidsschaal vergezelt de test.

\(RHN={N-(h/ S ) }\)

N =constante
S =schaaleenheid
h =inkepingsdiepte

Leeb rebound hardheidstest

De Leeb-test maakt gebruik van ASTM A956-Standard Test Method for Leeb Hardness Testing of Steel Products. De Leeb-test is een maat voor de terugkaatsing van een object uit het testmonster. De hardheid van metalen beïnvloedt de rebound-energie - hardere materialen produceren een grotere rebound, terwijl zachtere materialen de rebound-energie dempen. De snelheid van het object, voor en nadat het het monster raakt, vormt de basis voor de rebound-waarde. Leeb-testapparatuur bevat een spoel die de geïnduceerde spanning meet van de magnetische bal die wordt gebruikt voor de rebound-test. Deze geïnduceerde spanning is direct gerelateerd aan de snelheid van de bal die door de spoel van de testapparatuur beweegt. De Leeb-hardheidswaarde wordt berekend met de volgende formule:

\(LHN={Rebound;Snelheid over Impact;Velocity}x1000\)

Voordelen van de Leeb-methode zijn onder meer dat de inkeping die op het testmonster achterblijft veel kleiner is dan bij andere methoden. Het is ook draagbaar, gebruiksvriendelijker en sneller dan de Brinell- en Rockwell-hardheidsmeters. Een nadeel is dat het variabele resultaten kan opleveren wanneer het monsteroppervlak ongelijk is. De dikte van het monster en het koolstofgehalte kunnen ook het resultaat beïnvloeden.

Conversie van hardheidsnummers

ASTM E140-12be1 geeft standaard hardheidsconversietabellen voor metalen om van de ene hardheidstestmethode naar de andere te converteren. Het is belangrijk op te merken dat deze conversies bij benadering zijn en afhankelijk zijn van factoren zoals materiaalsamenstelling, microstructuur en warmtebehandeling. Hoewel de tabellen zijn gebaseerd op een groot aantal tests voor de verschillende methoden, kan een conversieresultaat alleen worden beschouwd als een schatting van vergelijkbare waarden.

Hardheidsgetal en warmtebehandeling

Gegoten metalen worden met warmte behandeld om hun eigenschappen te manipuleren. Warmtebehandeling omvat het verhogen van de temperatuur van het materiaal tot een vooraf bepaalde waarde. Het wordt vervolgens afgekoeld met een bepaalde snelheid, afhankelijk van de gewenste eigenschappen van het product. De eindtemperatuur van de verwarmingscyclus en de afkoelsnelheid hebben een directe invloed op de microstructuur van het metaal.

Fijne perliet- en ferrietmicrostructuren veroorzaakt door een snellere afkoelsnelheid hebben een grotere hardheidswaarde. Als het metaal wordt afgeschrikt, resulteert de snelle afkoeling in een martensietmicrostructuur, die de grootste hardheid van allemaal heeft. Door de directe relatie tussen microstructuur en hardheid is de hardheidstest een snelle indicatie of de warmtebehandeling is geslaagd of niet.

Hardheidsgetal en eigenschappen van gegoten metaal

Tabellen laten zien hoe treksterkte correleert met hardheid voor specifieke materialen. Dit is een nuttige correlatie omdat het meten van trekspanning een destructief proces is, terwijl hardheidstests niet-destructief zijn. Er zijn echter beperkingen aan de conversie van hardheid naar treksterkte en deze tabellen zijn slechts benaderingen.

De relatie tussen Brinell-hardheidsgetal en trekspanning:

\(TS(MPa)=begin{cases}3.55 cdot HB(HB le 175 )[2ex]3.38 cdot HB(HB>175 )end{cases}\)\(TS(psi)=begin{cases}515 cdot HB (HB le 175 )[2ex]490 cdot HB(HB>175 )eind{cases}\)

HB =Brinell-hardheid van materiaal (gemeten met een standaard indenter en een belasting van 3000 kgf)

Producten gieten en beoordelen

Veel factoren zijn van invloed op de sortering van gietstaal. Samenstelling van het product, chemische en mechanische eigenschappen en warmtebehandelingsprocessen spelen allemaal een rol bij de certificering van elk gegoten product tegen de toepasselijke ASTM-norm.

ASTM stelt standaardspecificaties voor verschillende soorten metaalproducten. Het is belangrijk om deze kwaliteiten en hun eigenschappen te begrijpen om de juiste kwaliteit voor elke toepassing te selecteren. ASTM A27 is een norm voor koolstofstalen gietstukken voor algemene toepassingen.

Hardheidstesten in gieterijen

De ontwikkeling van de hardheidstest heeft het voor metaalgieterijen gemakkelijker gemaakt om de eigenschappen van hun producten in te schatten op basis van één simpele test. Het is niet-destructief, wat betekent dat het kan worden uitgevoerd op afgewerkte producten zonder schade te veroorzaken. Het is een snel proces, waarbij gieterijen snel feedback krijgen over de producten die de productielijn verlaten. De correlatie tussen hardheidsgetal en treksterkte is een nuttige gids om een ​​eerste beoordeling van de productkwaliteit te maken. Gieterijen voltooien een volledige reeks certificeringstests voordat ze producten aan klanten vrijgeven.

Hardheidstests helpen gieterijen ook bij het controleren van hun warmtebehandelingsprocessen. De resultaten laten zien of de microstructuur van het materiaal is veranderd zoals verwacht. Hardheidstests zijn een cruciaal onderdeel van kwaliteitscontrole en procesafstemming voor metaalgieterijen.